专利名称：一种基于混沌理论的频谱感知方法
技术领域：
本发明属于无线通信领域，特别涉及认知无线电的频谱感知方法。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，人们对无线频谱资源的需求越来越大。然而，无线频谱 是稀缺、有限的资源。如何充分利用频谱资源，提高频谱利用率，成为了一个亟待解决的问 题。认知无线电(CR，Cognitive radio)技术为解决这个问题提供了一种可行的方案。在 CR系统中，具有认知功能的用户(CR用户)需要对授权用户频谱进行感知，在不影响授权用 户正常通信的前提下利用频谱空穴，所述频谱空穴为已分配给授权用户但未被其使用的空 闲频谱。在目前的认知无线电网络中，如IEEE802.22无线区域网络，为了抑制认知无线电 信号对频谱感知的干扰，现有的频谱感知技术需要使用静默期，在静默期内CR用户中断自 身的数据传输，这样不但减少了 CR用户进行自身数据传输的时间，而且破坏了数据传输的 连续性，严重损害了 CR用户的通信服务质量(QoS，Quality of Service) 0
发明内容
为了解决频谱感知给CR用户通信QoS带来的损害，本发明实例提供了一种基于混 沌理论的频谱感知方法，应用于认知无线电网络，所述技术方案如下一种基于混沌理论的频谱感知方法，包括认知无线电发射端用户采用混沌信号发射信息；认知无线电接收端用户对接收到的信号同时进行频谱感知和混沌信号的解调，在 完成自身数据传输的同时实现频谱感知。本发明实施例提供的技术方案的有益效果是通过基于混沌理论的频谱感知方法，一方面CR用户可以在进行自身数据传输的 同时进行不间断的频谱感知，提高了检测的及时性和准确性；另一方面CR用户可以在进行 频谱感知的同时无需中断自身数据传输，保证了自身数据传输的连续性，提高了频谱利用 率，提高了 CR用户的通信QoS。
图1 本发明实施例的认知无线电系统拓扑图；图2 本发明实施例提供的基于混沌的无静默期频谱感知流程图；图3 本发明实施例提供的混沌信号产生流程图；图4 本发明实施例提供的频谱感知流程图；图5 处于混沌临界状态的杜芬混沌振子吸引子相轨迹图；图6 处于大尺度周期状态的杜芬混沌振子吸引子相轨迹图；图7 本发明实施例提供的混沌信号解调流程具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作一步地详细描述。本发明实施例的认知无线电系统拓扑如图1所示，一对CR用户，包括CR发射端用 户和CR接收端用户和一对授权用户，包括授权发射端用户和授权接收端用户。授权用户使 用已分配的授权频谱资源，该授权频谱资源为可用信道，而CR用户在授权用户不工作的时 候利用该段已经授权的频谱资源，但是授权用户随时可能开始工作，认知用户需要通过频 谱感知快速准确地检测出该段频谱资源上随时出现的授权用户信号并及时退出该信道。实施例参见图2，本发明实施例提供了一种基于混沌理论的频谱感知方法，包括产生认知无线电发射信息000 :CR发射端用户对需要发送的信息进行编码，使其 转化为二进制的认知无线电发射信息；调制成混沌信号100 =CR发射端用户将认知无线电发射信息调制成混沌信号；接收信号并将信号分为两路200 =CR接收端用户接收该频谱空穴上的信号，并将 其分为两路，第一路信号为从CR接收端上任一根天线上接收到的信号，用于频谱感知；第 二路信号为从CR用户接收端上三根天线上接收到的三个相互独立的信号，用于混沌信号 的解调；假设授权用户信号存在300 先作出假设授权用户信号存在；频谱感知验证假设400 对接收到的第一路信号进行频谱感知，以验证“授权用户 信号存在”的假设是否成立；判断假设是否成立500 根据频谱感知的结果对假设做出判决；继续使用该频谱空穴600 若判断“授权用户信号存在”的假设不成立，则CR用户 继续使用该段频谱空穴，在该段频谱空穴上传输信息并进行频谱感知。退避该频谱空穴700 若判断“授权用户信号存在”的假设成立，则CR用户立刻退 出该频谱空穴。混沌信号解调800 对接收到的第二路信号进行混沌信号的解调；恢复认知无线电发射信息900 将解调的信息转化为认知无线电发射信息。在本发明实施例中，如图3，调制成混沌信号100包括产生混沌信号101 用户产生混沌信号；混沌信号的产生可以根据一定的混沌模型利用由电容、电阻、电感等元件组成的 模拟混沌电路产生，如蔡氏模拟混沌电路、变型蔡氏模拟混沌电路、杜芬模拟混沌电路等； 也可以根据一定的混沌模型利用数字合成技术产生。在本发明实施例中仅以蔡氏模拟混沌 电路来产生混沌信号，在保证CR用户通信QoS的前提下，也可采用上述其他方法来产生混 沌信号。自适应调整混沌信号频谱102 根据频谱空穴的频谱特征调整混沌信号的频谱， 以避免对相临信道的通信造成干扰；将产生的混沌信号通过通带自适应可调的滤波器，滤波器的通带范围根据频谱空 穴的频谱特征来设置，从而混沌信号的频谱能够自适应的根据频谱空穴来调整。
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差分混沌键控调制103 用经过自适应调制的混沌信号对认知无线电发射信息进 行差分混沌键控调制；差分混沌键控调制基函数的前半段称为参考段，后半段称为信息承载段。根据认 知无线电发射信息为“0”和“1”的不同，信息承载段分别为参考段的同相或反相副本。当 发射信息为“1”时，发送&⑴；当发射信息为“0”时，发送由⑴。gl(t) ^P g2(t)分别为幻( ) =
+
c(t),
0<t<T/2
c(卜 772)，T/2<t<T g2(t)
+
4Eb
c{t), 0<t<T/2 c(t-T/2), T/2<t<TT为CR用户发射信息的符号周期，Eb为发射信号的能量，c(t)为混沌序列。需要 说明的是，在本发明实施例中，仅以选择差分混沌调制为例，在保证CR认知用户通信QoS的 前提下，当然可以选择其他数字混沌调制方式，如混沌键控、混沌开关键控、调频差分混沌 键控等。在本发明实施例中，接收信号并将信号分为两路200包括A 接收信号，采用三根天线从频谱空穴上接收信号，并保证接收到的信号相互独 立；由于接收到的信号由混沌信号s(t)、随时可能出现的授权信号i(t)及噪声n(t) 三种相互独立的信号组成，为了实现对接收信号中的混沌信号的准确解调，接收端可以 利用从多条天线数接收到的多个相互独立的信号中提取出混沌信号s(t)，消除授权信号 i(t)及噪声n(t)的干扰。本实施例仅以采用三根天线为例，也可以采用多于三根的天线。B:分成两路，将三根天线接收到的信号(用Xi(t)(i = 1,2,3)表示)分成两路， 第一路包含任一根天线接收到的信号即可，用于频谱感知，将该路信号记为r(t)；第二路 包含三根天线接收到的信号Xi(t) (i = 1，2，3)，用于混沌信号的解调。在本发明实施例中，如图4，频谱感知验证假设400包括接收到的信号401 接收到的第一路信号c (t)由噪声信号η (t)、混沌信号s (t)及 假设出现的授权信号i(t)组成。待检信号自相关402 将接收到的第一路信号r(t)进行自相关，得到信号c (t)；若假设授权用户信号存在300成立，即r (t)包含授权信号i (t)，由于授权信号 i(t)由于经过调制、编码等处理，信号中存在一定的冗余信息其自相关函数会呈现出循环 周期性，而噪声和混沌信号不具有这种特性，则信号c (t)具有循环周期性。若假设授权用 户信号存在300不成立，即r(t)不包含授权信号i(t)，则信号c(t)不具有循环周期性。估计循环频率403 将自相关信号c(t)导入杜芬混沌振子中，估计其中授权信号 i (t)的循环频率；调节杜芬混沌振子并导入待检信号404 调节混沌振子的策动力角频率等于估计的循环频率，并调节杜芬混沌振子的策动力幅值使振子处于临界混沌状态，然后将自相关 信号c(t)导入其中；杜芬混沌振子的动力学方程表示为x〃 (t)+kx' (t)-x3(t)+x5(t) = accos ct其中，k为阻尼比；a。为振子周期策动力幅值；ω。为振子策动力角频率。调节a。 值的大小可以改变杜芬混沌振子的状态，当该混沌振子处于混沌状态时，增大a。值到一临 界值，若a。值若再增大，该混沌振子便会由混沌状态跃迁到周期状态。观测杜芬混沌振子状态405 观测导入自相关信号c(t)之后杜芬混沌振子的状 态。处于临界混沌状态的杜芬混沌振子对导入其中的同频率循环周期信号敏感，所述 同频率是指杜芬混沌振子的策动力角频率与导入循环周期信号的循环频率相同，表现为杜 芬混沌振子会由混沌状态变为大尺度周期状态，其相位轨迹会由复杂的运动状态(如图5) 变为环状的运动状态(如图6)。据此，通过观察杜芬混沌振子的相位轨迹可判断导入杜芬 混沌振子的信号是否具有循环周期特性，即是否存在授权信号。需要说明的是，在本发明实施例中，仅以观察杜芬混沌振子的相位轨迹为例来判 断振子是否仍处于混沌状态，在保证判断准确的前提下，当然也可以选择其他方法来判断 杜芬混沌振子是否仍处于混沌状态，如计算此时杜芬混沌振子输出信号的熵值。估计循环频率403包括A 导入待检信号，将信号c (t)导入杜芬混沌振子中；B:采用基于授权用户使用频段历史统计信息的调节机制对杜芬混沌振子角频率 进行调节，在频谱空穴的频段范围内，采用该机制调节杜芬混沌振子的策动力角频率并记 录混沌振子每个角频率值对应的输出信号；角频率调节机制的设计基于授权用户使用频段的历史统计信息。若根据历史统计 信息，授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较分散且多变，则采用两步调节机制第一步 以较大的间隔值对杜芬混沌振子的策动力角频率进行粗调节；第二步根据C的计算结果， 选定方差值较大的角频率区间，并在该区间以较小的间隔值对杜芬混沌振子的策动力角频 率进行细调节。若根据历史统计信息授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较集中且固 定，则采用自适应调节机制，在使用集中的频段采用小间隔值对杜芬混沌振子的策动力角 频率进行细调节，在其他频段采用大间隔值对其进行粗调节。C:计算输出信号的方差值，分别求出每个角频率对应杜芬混沌振子输出信号的方
差值；D 依据方差值确定待检信号的循环频率，选取最大输出信号方差值对应的角频 率，即为信号c (t)中假设存在授权信号自相关的循环频率。在本发明实施例中，如图7，混沌信号解调800包括接收到的信号801 接收到的信号为三个相互独立的信号Xi (t) (i = 1，2，3)，每一 个都是由噪声信号η (t)、混沌信号s (t)及随时可能出现的授权信号i(t)组成；提取混沌信号802 利用混沌信号的动力学方程，从Xi(t) (i = 1,2,3)中提取出混 沌信号；对提取问题进行数学建模，Xi (t) (i = 1,2,3)可用矩阵表示为X = AS
X = [Xl(t), x2(t), x3(t)]TS = [s(t)，i(t)，n(t)]T其中，A为混合矩阵，由X和S都为满秩矩阵可知，A也是满秩的。因此A必定存在 伪逆矩阵A#，根据AsA = E，则存在提取矩阵W，可表示为W = A#(l,)根据WA = [1，0，0]，混沌信号可由下式得到y (t) = WX = WAS= [l，0，0]*[s(t)，i(t)，n(t)]T= s (t)因此，混沌信号提取的关键就是寻找到提取矩阵W，使y(t)逼近s(t)。为此，定义 误差函数ε (ff) =Σ (y(t)-s(t))2其中f( ·)为所要提取混沌信号的动力学方程，对于CR用户为已知信息，y(t)为 s(t)的估计值，则混沌信号s (t)可表示为s(t) = f (y (t-1))将其带入上式得ε (ff) =Σ (y(t)-f(y(t-l)))2因此，混沌信号的提取问题可转化为最优化问题，即W = arg mins(w)寻找最优的提取矩阵W，使误差函数ε (W)最小。利用参数估计法，搜寻提取矩阵W，选取使误差函数ε (W)达到全局最小对应的W 即为提取矩阵。将其带入下式y (t) = WX = WAS = s (t)即可得到混沌信号。延迟相关解调803 对提取出的混沌信号进行延迟相关解调。利用混沌信号类似于脉冲函数的自相关特性和非常低的互相关特性，将混沌信号 延迟时间τ (τ =Τ/2)并进行自相关，将自相关的结果与判决门限进行比较，大于门限值 判为“ 1”，小于门限值则判为“0”。
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权利要求
一种基于混沌理论的频谱感知方法，其特征在于，包括CR发射端用户采用混沌信号发射信息；CR接收端用户接收信号并将接收到的信号分为两路，第一路信号为从CR接收端用户上任一根天线上接收到的信号，用于频谱感知；第二路信号为从CR接收端用户上三根天线上接收到的三个相互独立的信号，用于混沌信号的解调。根据频谱感知的结果对授权用户信号是否出现做出判断；若判断授权用户信号没有出现，则继续使用该频谱空穴，在该段频谱空穴上传输信息并进行频谱感知；若判断授权用户信号出现，则退避该频谱空穴；根据混沌信号解调的结果恢复出认知无线电发射信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CR发射端用户采用混沌信号发射信 息，包括产生认知无线电发射信息，CR发射端用户对CR用户需要发送的信息进行编码，使其转 化为二进制的认知无线电发射信息；调制成混沌信号，CR发射端用户将认知无线电发射信息调制成混沌信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调制成混沌信号，CR发射端用户将认 知无线电发射信息调制成混沌信号，包括产生混沌信号，利用蔡氏模拟混沌电路来产生混沌信号；自适应调整混沌信号频谱，根据频谱空穴的频谱特征调整混沌信号的频谱。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述自适应调整混沌信号频谱，根据频谱 空穴的频谱特征调整混沌信号的频谱，包括将混沌信号通过通带自适应可调的滤波器，滤波器的通带范围根据频谱空穴的频谱特 征来设置，从而混沌信号的频谱能够自适应的根据频谱空穴来调整。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一路信号为从CR接收端用户上任 一根天线上接收到的信号，用于频谱感知，包括待检信号自相关，将接收到的第一路信号进行自相关；估计循环频率，将自相关信号导入杜芬混沌振子中，估计其中授权信号的循环频率； 调节杜芬混沌振子并导入待检信号；观测杜芬混沌振子状态，观测导入自相关信号之后杜芬混沌振子的状态，若其由混沌 状态变为周期状态，则授权用户信号出现，否则授权用户信号没有出现。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述估计循环频率，将自相关信号导入杜 芬混沌振子中，估计其中授权信号的循环频率，包括导入待检信号，将第一路信号自相关得到的信号导入杜芬混沌振子中； 采用基于授权用户使用频段历史统计信息的调节机制对杜芬混沌振子角频率进行调 节，在频谱空穴的频段范围内，采用该机制调节杜芬混沌振子的策动力角频率并记录混沌 振子每个角频率值对应的输出信号；计算输出信号的方差值，分别求出每个角频率对应杜芬混沌振子输出信号的方差值； 依据方差值确定待检信号的循环频率，选取最大输出信号方差值对应的角频率，即为 该自相关信号中中可能存在的授权信号自相关循环频率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用基于授权用户使用频段历史统计信息的调节机制对杜芬混沌振子角频率进行调节，在频谱空穴的频段范围内，采用该机 制调节杜芬混沌振子的策动力角频率并记录混沌振子每个角频率值对应的输出信号，包 括角频率调节机制的设计基于授权用户使用频段的历史统计信息。若根据历史统计信 息，授权用户在该频谱空穴内使用的频段比较分散且多变，则采用两步调节机制第一步以 较大的间隔值对杜芬混沌振子的策动力角频率进行粗调节；第二步根据第一步输出信号方 差的计算结果，选定方差值较大的角频率区间，并在该区间以较小的间隔值对杜芬混沌振 子的策动力角频率进行细调节。若根据历史统计信息授权用户在该频谱空穴内使用的频段 比较集中且固定，则采用自适应调节机制，在使用集中的频段采用小间隔值对杜芬混沌振 子的策动力角频率进行细调节，在其他频段采用大间隔值对其进行粗调节。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调节杜芬混沌振子并导入待检信号， 包括调整杜芬混沌振子的策动力角频率等于估计的循环频率并调节杜芬振子使其处于临 界混沌状态，将第一路信号自相关产生的信号导入该混沌振子。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二路信号为从CR接收端用户上三 根天线上接收到的三个相互独立的信号，用于混沌信号的解调，包括提取混沌信号，利用混沌信号的动力学方程，从第二路信号中提取出混沌信号；延迟相关解调，对提取出的混沌信号进行延迟相关解调。
全文摘要
本发明给出了一种基于混沌理论的频谱感知方法，适用于认知无线电网络。所述方法包括认知无线电发射端用户采用混沌信号进行自身数据的发送，认知无线电接收端用户同时进行频谱感知和混沌信号的解调。通过该方法认知无线电用户在进行频谱感知时无需使用静默期，从而增加了认知无线电用户进行自身数据传输的时间，保证了数据传输的连续性，提高了认知无线电用户的通信QoS(Quality of Service)。
文档编号H04B17/00GK101982945SQ201010541090
公开日2011年3月2日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者冯春燕, 刘芳芳, 曾志民, 郭彩丽, 魏冬 申请人:北京邮电大学